設計采用高性能單片機C8051F020為控制芯片,監(jiān)控示波器面板上40個按鍵,、3個編碼開關及4個電位器的狀態(tài),。分別介紹了鍵盤、編碼開關和電位器的工作原理,,以及其與單片機連接的硬件電路及軟件編程的實現(xiàn),。按鍵部分采用一鍵多義的鍵盤程序設計方法,給出了鍵碼匹配子程序流程圖,。
監(jiān)控程序負責系統(tǒng)中全部硬件和軟件資源的分配,、調(diào)度工作,它提供用戶接口,,使用戶獲得友好的工作環(huán)境,,是系統(tǒng)設計中一個重要組成部分。
1 C8051F020單片機概述
伴隨著電子技術快速的發(fā)展,,越來越多的人加入電子開發(fā)的大軍,。在學習電子技術和研發(fā)項目的過程中,避免不了要使用一些儀器,,例如萬用表,、示波器等等,然而對于一些非專業(yè)的愛好者,,擁有一臺數(shù)字示波器是比較“奢侈”的,。本設計C8051F020單片機,因其具有成本低,、制作簡單,、測量精度高等優(yōu)勢,恰恰滿足了這一部分人的需求,。
C8051F020單片機是高度集成的片上系統(tǒng),。在芯片內(nèi)集成了2個多通道ADC子系統(tǒng)(每個子系統(tǒng)包括1個可編程增益放大器和1個模擬多路選擇器)、2 個電壓輸出DAC,、2個電壓比較器,、電壓基準,、SMBus/I2C總線接口,、UART、SPI總線接口,、5個通用的16位定時器,、1個具有5個捕捉/比較模塊的可編程計數(shù)器/定時器陣列(PCA)、內(nèi)部振蕩器,、8個8位通用數(shù)字I/0端口和64 KBFLASH程序存儲器,,以及8051兼容的高速微控制器內(nèi)核。
C8051F020單片機是所有模擬和數(shù)字外設均可由用戶固件使能/禁止和配置。Flash 存儲器還具有在系統(tǒng)重新編程能力,,可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲,,并允許現(xiàn)場更新8051 固件。片內(nèi)JTAG 調(diào)試電路允許使用安裝在最終應用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU 進行非侵入式(不占用片內(nèi)資源),、全速,、在系統(tǒng)調(diào)試。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲器和寄存器,,支持斷點,、觀察點、單步及運行和停機命令,。在使用JTAG 調(diào)試時,,所有的模擬和數(shù)字外設都可全功能運行。
Cygnal出的一種混合信號系統(tǒng)級單片機,。片內(nèi)含CIP-51的CPU內(nèi)核,,它的指令系統(tǒng)與MCS-51完全兼容。其中的C8051F020單片機含有64kB片內(nèi)Flash程序存儲器,,4352B的RAM,、8個I/O端口共64根I/O口線、一個12位A/D轉換器和一個8位A/D轉換器以及一個雙12位D/A轉換器,、2個比較器,、5個16位通用定時器、5個捕捉/比較模塊的可編程計數(shù)/定時器陣列,、看門狗定時器,、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器等部分。C8051F020單片機支持雙時鐘,,其工作電壓范圍為2.7~3.6V(端口I/O,RST和JTAG引腳的耐壓為5V),。與以前的51系列單片機相比,C8051F020增添了許多功能,,同時其可靠性和速度也有了很大提高,。
2 一鍵多義鍵盤工作原理
一臺完善的智能儀表功能往往很多,設定的量程,、參數(shù)也很多,。如果還是用一鍵一個功能,勢必要有一個很大的鍵盤,,面板相應擴大,,不美觀,而且成本增加,。因此在這類儀表中,,鍵盤設計成一鍵多義,,一個鍵有多種功能。
在一鍵多義的情況下,,一個命令不是由一次按鍵組成,,而是由一個按鍵序列組成。也就是說,,對一個按鍵含義的解釋,,不僅取決于本次按鍵,還取決于以前按了些什么鍵,。因此,,對于一鍵多義的監(jiān)控程序,首先要判斷一個按鍵序列(而不是一次按鍵)是否已構成一個合法命令,。若已構成合法命令,,則執(zhí)行命令,否則等待新按鍵輸入,。一鍵多義鍵盤管理程序,,主要解決鍵盤按鍵序列的識別和如何根據(jù)鍵盤的按鍵序列去找相應的操作程序這兩個問題。
上述問題可用“一圖三表”的方法來解決,。即,,建立一張鍵圖,依靠分析程序狀態(tài)表,,分析程序入口表和動作例行子程序表來完成,。其中分析程序狀態(tài)表總共分為4欄,分別為現(xiàn)狀態(tài)PSTi,、鍵碼,、下一狀態(tài)、動作例行子程序編號,。
3 編碼開關工作原理
編碼開關有3個引腳和5個引腳的,,其中2個引腳是按下功能,另外3個引腳控制編碼開關的左旋和右旋功能,,與引腳1,、2相連的是兩個長短不一的金屬靜片,與引腳3相連的是一周有12或24個齒的金屬動片,。當脈沖電位器旋轉時可出現(xiàn)4種狀態(tài):引腳3與引腳1相連,,引腳3與引腳2及引腳1全相連,引腳3與引腳2 相連,,引腳3與引腳2及引腳1全斷開,。
在實際使用中,一般將引腳3接地作為數(shù)據(jù)輸入端,。而引腳1,、2作為數(shù)據(jù)輸出端與單片機I/0口相連。本設計中用到3個編碼開關,,其中一個將引腳1與單片機的P4.0相連,,引腳2與單片機的P4.1相連。當脈沖電位器左旋或右旋時,,P4.0和P4.1就會周期性地產(chǎn)生圖1所示的波形,。如果是12點的脈沖電位器旋轉一圈就會產(chǎn)生12組這樣的波形,24點的脈沖電位器就會產(chǎn)生24組這樣的波形,。一組波形(或一個周期)包含了4個工作狀態(tài),。因此只要檢測出P4.O 和P4.1的波形,就能識別脈沖電位器是否旋轉,,是左旋還是右旋,。
4 C8051F020單片機ADC0
C8051F020的ADC0子系統(tǒng)包括:一個9通道的可配置模擬多路開關(AMUX0)、一個可編程增益放大器(PGA0)和一個100 ksps的12位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC,。ADC中集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測器,。AMUX0、PGA0,、數(shù)據(jù)轉換方式及窗口檢測器都可用軟件通過特殊功能寄存器來配置,。只有當ADC0控制寄存器(ADCOCN)中的ADOEN位被置1時,ADC子系統(tǒng)才被允許工作,。當ADOEN位為0 時,,ADC子系統(tǒng)處于低功耗關斷方式。
ADC0端口的每一對均可用編程設置成為單端輸入或差分輸入,。差分輸入時的端口配對為(0,,1)、(2,,3),、(4,5),、(6,,7),此設置由通道選擇寄存器AMUXOSL的低4位和通道配置寄存器AMUXOCF的低4位確定,。在AMXOCF中,,位3~O各對應2個引腳通道。位值=0,,表示是獨立的單端輸入(復位值均為單端輸入),;位值=1,表示是差分輸入對,。
C8051F系列單片機中ADC的速率都是可編程設置的,,但最少要用16個系統(tǒng)時鐘,。一般在轉換之前還自動加上3個系統(tǒng)時鐘的跟蹤/保持捕獲時間 (>1.5μs)。設置F020內(nèi)ADC速率的方法是通過配置寄存器ADCOCF的位7~3來進行的,,其復位值為11111(位 7~3=SYSCLK/CLK(SAR)-1),。
一般在啟動ADC之前都要處于跟蹤方式,控制寄存器ADCOCN的位6如果為“O”,,則一直處于跟蹤方式(此時啟動4種啟動方式都可比跟蹤啟動快3個系統(tǒng)時鐘),;如為“1”,則有4種跟蹤啟動方式可選擇,,即對ADCOCN中的位3~2賦值:00為向ADBUSY寫1時跟蹤(軟件命令),,01為定時器3溢出跟蹤,1O為CNVSTR上升沿跟蹤(外部信號),,11為定時器2溢出跟蹤,。
5 系統(tǒng)硬件電路設計
鍵盤部分采用6×6矩陣鍵盤,P7.O~P7.5為行線,,P3.0~P3.5為列線,。P3.0與P7.O交叉處為一鍵,P7口接10 kΩ的上拉電阻至3.3 V,。3個編碼開關的1,、2腳直接與單片機的I/0引腳相連,這里選擇P4.O~P4.5,,3腳接地,,4、5腳用作按鍵使用,。僅以接P4.O和P4.1引腳的編碼開關為例,,電路圖如圖2所示。模數(shù)轉換部分使用內(nèi)部電壓基準,,故將VREF引腳與VREF0引腳相連即可,。采用電位器調(diào)節(jié)模擬量的輸入,單端輸入,,電位器阻值為10 kΩ,,基準電壓典型值為2.43 V,電源電壓采用3.3 V供電,。為使基準電壓達到最大,,需要一個阻值約為3.58 kΩ的電阻與電位器串聯(lián)接到模擬端口,硬件電路如圖3所示,,電位器的4,、5腳也用作按鍵使用。
6 系統(tǒng)軟件設計
6.1 一鍵多義鍵盤程序設計
在鍵盤分析中,運用一個工作狀態(tài)寄存器保存鍵盤的現(xiàn)狀態(tài),,當鍵盤掃描到一個按鍵時,,根據(jù)現(xiàn)狀態(tài)的值從分析程序入口表中找到分析程序狀態(tài)表地址,從該地址處進入分析程序狀態(tài)表,,找到相匹配的值,,把下一狀態(tài)送到現(xiàn)狀態(tài)單元里,,取出動作號,,根據(jù)動作號計算出動作子程序入口地址,再執(zhí)行相應子程序,。圖4為鍵碼匹配子程序的流程圖,。
6. 2 編碼開關程序設計
由圖1可以看出,引腳1和引腳2有同時為高電平的情況,,之后如果引腳2比引腳1先到達高電平則表示左旋,,如果引腳1比引腳2先到達高電平則表示右旋。編程的時候依據(jù)這個特點來判斷引腳1,、引腳2的狀態(tài)即可,。以1引腳接P4.0,2引腳接P4.1為例:
6.3 模數(shù)轉換軟件設計
通過設置ADCO控制寄存器ADCOCN位3~2(ADOCM1~O)A/D轉換啟動方式選擇位,,來啟動A/D轉換:位3~2為00時,,向ADOBUSY(ADCOCN位4)寫1啟動A/D轉換;位3~2為01時,,定時器3溢出啟動A/D轉換,;位3~2為10時,CNVSTR上升沿啟動 A/D轉換,;位3~2為11時,,定時器2溢出啟動A/D轉換。本設計采用第一種啟動方式,。
由于單片機的工作量并不大,,所以軟件設計時采用查詢的方式。單片機不斷地查詢鍵盤,、編碼開關以及電位器的狀態(tài),,如果有變化時,單片機將動作信息傳遞給 ARM主MCU,,等待主MCU的處理,。由于單片機模數(shù)轉換的速度非常快,,因此在程序中加延時,,以便觀察到模數(shù)轉換的變化量。另外,,硬件設計時沒有考慮濾波,,故用軟件實現(xiàn)濾波,。一般的濾波的方法有限幅濾波法、中位置濾波法,、算術平均濾波法等,,現(xiàn)在提出一種新的濾波方法。由于使用12位A/D,,但只要8位就可以達到所要的精度,,所以可以采用去掉低4位的方法來實現(xiàn)濾波的目的。由于篇幅有限,,下面只給出程序的一部分,,以AIN0為例:
結語
本文介紹的一鍵多義的按鍵管理程序,對多按鍵的智能儀表可以通用,。編碼開關的編程方法簡單易懂,。在A/D轉換部分,提出的去掉低4位的軟件濾波方法可靠可行,,對精度要求不高的場合非常適用,。這3部分構成了一個完整的監(jiān)控程序,當單片機監(jiān)控到某一部分有變化時,,就將其動作信息傳遞給ARM主CPU,,主CPU 進行相應的處理。